为何教程中的C++多线程求和示例运行慢于单线程？

我跟着教程写了一段C++代码，用来计算0到1900000000范围内的奇数和与偶数和。单线程版本跑3秒，但多线程版本居然要18秒——我用的是多核CPU，完全搞不懂为什么会这样，明明预期多线程更快才对。

代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <algorithm>


unsigned long long OddSum = 0;
unsigned long long EvenSum = 0;

void findEven(unsigned long long start, unsigned long long end){
    for (unsigned long long i = start; i <= end; i++){
        if((i & 1)==0){
            EvenSum += i;
        }
    }
}


void findOdd(unsigned long long start, unsigned long long end){
    for (unsigned long long i = start; i <= end; i++){
        if((i & 1)==1){
            OddSum += i;
        }
    }
}

int main(){
    unsigned long long start = 0, end = 1900000000;

    auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    std::thread t1(findEven, start, end);
    std::thread t2(findOdd, start, end);

    t1.join();
    t2.join();

    // findOdd(start, end);
    // findEven(start, end);


    auto stopTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(stopTime - startTime);

    std::cout << "OddSum : " << OddSum << std::endl;
    std::cout << "EvenSum : " << EvenSum << std::endl;

    std::cout << "Sec : " << duration.count()/1000000 << std::endl;


    return 0;
}

问题根源 #

• 伪共享（缓存行竞争）：全局变量OddSum和EvenSum大概率被分配到同一个CPU缓存行（通常64字节）。两个线程分别对这两个变量做累加时，每次写入都会让整个缓存行失效，CPU核心之间得不断同步缓存数据，这带来的开销远大于多线程并行的收益。
• 重复遍历导致工作量翻倍：单线程是遍历一次区间同时计算奇偶和，而多线程版本是两个线程各自完整遍历一遍整个范围，总工作量直接翻了一倍，再加上缓存竞争的拖累，速度自然暴跌。

优化方案 #

1. 解决伪共享：让两个全局变量各自独占一个缓存行，比如用C++11的alignas属性：

alignas(64) unsigned long long OddSum = 0;
alignas(64) unsigned long long EvenSum = 0;

或者用GCC编译器的特定属性：

unsigned long long OddSum __attribute__((aligned(64))) = 0;
unsigned long long EvenSum __attribute__((aligned(64))) = 0;

2. 拆分任务区间：不要让两个线程重复遍历，而是把区间拆分成两部分，比如一个线程处理0_{949999999，另一个处理950000000}1900000000，每个线程同时计算自己区间内的奇偶和，最后汇总结果。这样既减少了总遍历次数，也避免了缓存竞争。

3. 用数学公式直接计算（最优解）：奇偶和完全可以用等差数列公式直接算出，根本不需要循环：

• 偶数和：0到N的偶数构成首项0、末项为N - (N%2)、公差2的等差数列，项数是(末项/2)+1，和为(0 + 末项) * 项数 / 2
• 奇数和：1到N的奇数构成首项1、末项为N - (1 - N%2)、公差2的等差数列，项数是(末项 + 1)/2，和为项数 * 项数（因为1+3+5+...+(2k-1)=k²）
  这种方法耗时几乎可以忽略，比任何循环版本都高效。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者bevenstee